DE7317242U - Messelement aus einem halbleiter-piezowiderstand - Google Patents

Messelement aus einem halbleiter-piezowiderstand

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Description

PATENTANWÄLTE ,' ,' ; ;
DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUO DR.-ING. HANS LEYH
71, 3. Mai 197
Melchloretr. 42
— . . ΙΙΛ/ΛΠ /Π Λ Λ £ I ·
unser £eicn«n: iWüsr/u—Jow/
Motorola, Inc. 9401 West Grand Avenue Franklin Park, Illinois V.St.A.
Messelement aus einem Halbleiter-Piezowiderstand
Die Erfindung betrifft einen Spannungsmesser aus einem Halbleiter-Piezowiderstand.
Der erwähnte Spannungsmesser stellt einen Wandler dar, mit dem es möglich ist, mechanische Bewegung oder Spannung in eine Änderung eines elektrischen Stromes umzuwandeln, der für die Amplitude der mechanischen Bewegung bzw. der Spannung oder des Zuges repräsentativ ist. Insbesondere findet hierfür ein Halbleiter-Piezowiderstandsmaterial
Fs/ba Verwendung
13.9.»
• · I I < I
• I I ΐ f t 1
. MO69P/G-986/7
Verwendung, das seinen Widerstand in Abhängigkeit von der mechanischen Verformung ändert.
Ein derartiges riäibleiief-riezuwiaerstanasmaceriai ist bekannt und besteht z.B. aus einem monokristallinen Silicium. Die physikalischen Eigenschaften sind vielfach untersucht worden, um die Widerstandsänderung in Abhängigkeit von einer einwirkenden mechanischen Kraft zu ermitteln, wobei als Messgrösse ein sogenannter Messfaktor bekannt ist. Dieser Messfaktor wird durch den Bruchteil der Widerstandsänderung pro Spannungseinheit definiert und lässt sich im folgenden Ausdruck mathematisch wiedergeben:
Messfaktor GF -
t Ro der anfängliche Widerstand Ln die anfängliche Länge
dR die Änderung des elektrischen Widerstands dL die Längenänderung
Spannungsmesser in Drahtform sind bereits schon lange vor der Entdeckung der Piezowiderstandseigenschaften von Halbleitermaterialien bekannt. Derartige Draht-Spannungsmesser zeigen nur eine vernachlässigbare Änderung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit von den einwirkenden Kräften. Die Empfindlichkeit ist um ein Vielfaches kleiner als z.B. bei dem Piezowiderstandsmateriäl Silicium. Dieses Piezowiderstandsmaterial Silicium kann um Grössenordnungen höhere Empfindlichkeit als ein Draht-Spannungsmesser haben. Die nachfolgende Tabelle I gibt den Messfaktor für verschiedene Halbleitermaterialien und verschiedene kristallographische Orientierungen des Materials wieder.
Material
MO69P/G-986/7
TABELLE I
Material Si
" Si Si Si Ge Ge
InSb InSb
Leitfähigkeit Kristallorientierung Messfaktor
N N P N P P N
111 100 100 111 111 100 100
175
• 5 •133
•157
102
■ 45
• 74
Der grösste Messfaktor ergibt sich bei der 111-Kristallorientierung für P-leitendes Silicium mit einem Widerstand von mehr als 1,0 Ohm/cm. Es wurde ausserdem festgestellt, dass eine Maximierung des Msssfaktors auch eine Maximierung des Temperaturkoeffi^ienten des Messfaktors bewirkt, und keine Minimalisierung der Licht λ Parität der angelegten Spannung bewirkt. Diese Effekte auf den Messfaktor erfordern verschiedene Massnahmen. j
! Halbleiter-Piezowiderstandselemente sind bisher sehr schwierig in einem einheitlichen Herstellungsverfahren zu fabrizieren. Insbesondere ist es sehr schwer, bei einem solchen Verfahren Elemente zu erhalte^, deren charakteristische Werte weitgehendst einheitlich sind.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen Spannungsmesser aus einem Halbleiter-Piezowiderstand bzw. ein Piezowiderstands-Messelement zu schaffen, das sehr zuverlässig arbeitet und dessen charakteristische Eigenschaften bei der Reproduktion weitgehendst konstant bleiben. Ein solches Piezowiderstands-Messelement soll in einem verhältnismässig einfachen Herstellungsverfahren
sehr
sehr wirtschaftlich und mit hoher Qualität herstellbar sein und auch für besondere Anwendungsfalle, wie 7.8. zum Messen des Blutdruckes in den Blutbahnen lebender Tiere durch Einführen in die Blutbahn verwendbar sein.
Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 durch die Erfindung fUr einen Spannungsmesser bzw. ein Messelement aus einem Halbleiter-Piezowiderstand dadurch gelöst, dass der Spannungsmesser aus einem balkenförmigen Abschnitt mit daran anschliessenden vergrösserten Endabschnit'^n eines monokristallinen Halbleiters mit Piezowiderstandseigenschaften besteht, wobei dieser monokristalline Halbleiter eine gegebene Leitfähigkeit hat und längs einer gegebenen Kristallebene zur Erzielung eines gewünschten Messfaktors geschnitten ist, dass innerhalb der vergrösserten Endabschnitte raonokristalline Anschlussbereiche vorgesehen sind, die eine gegebene Leitfähigkeit und eine höhere Störstellenkonzentration und damit einen niedrigen elektrischen Widerstand unter Vermeidung eines gleichrichtenden Obergangs zwischen dem balkenförmigen Abschnitt und den Ansrhlussbereichen aufweisen, und dass auf der Oberfläche der monokristallinen Anschlussbereiche elektrische Kontakte angebracht sind.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
Bei
13.
9.19
MO69P/G-986/7
Bei der Herstellung eines Spannungsmessers bzw. Messelcirentes aus einem Halbleiter-Piezowiderstand wird vorzugsweise von einer monokristallinen Siliciumscheibe aufgegangen, die längs der 100-Kristallebene geschnitten und N-leitend ist. Dieses Material wird dem P-leitenden Silicium mit einem Schnitt längs der 111-Kristallebene vorgezogen, obwohl dieses einen höheren Messfaktor hat. üer Grund dafür liegt in dem einheitlicheren Herstellungsverfahren, wobei sich feststellen lässt, dass Kalium-Hydroxyd (KOH) als Ätzmittel während der einzelnen Ätzschritte besonders gut geeignet ist. Das längs der 111-Kristallebene geschnittene Silicium lässt sich mit Kalium-Hydroxyd weniger gut ätzen. Im Gegensatz dazu lässt sich eine längs der 100-Kristallebene geschnittene Siliciumscheibe sehr leicht mit Kalium-Hydroxyd ätzen, wol»ei der Ätzvorgang auch leicht zu überwachen und zu steuern ist.
Eine solche monokristalline Halbleiterscheibe aus einem Silicium mit Piezowiderstandseigenschaften dient als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Spannungsmessers bzw. des Messelementes. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, auch andere Halbleitermaterialien, wie sie in der vorausstehenden Tabelle I angegeben wurden, zu verwenden. In das Substrat werden für ein Messelement zwei Ausnehmungen eingeätzt und diese wieder durch epitaxial aufgewachsenes und N-leitendes Silicium ausgefüllt. Dieses epitaxial gewachsene Silicium ist im Interesse eines niedrigen Widerstandes stark dotiert.
Selbstverständlich lässt sich mit dem erfindungsgemässen Herstellungsverfahren in vorteilhafter Weise auf einer Siliciumscheibe eine Vielzahl von Spannungsmessern bzw. Messelementen gleichzeitig herstellen. Zu diesem Zweck wird mit einer besonderen Ätzung fsirtl etch), die Oberfläche der Halbleiterscheibe derart beeinflusst, dass der Verlauf der
- 5 - Übergänge
'.«■■. MO69P/G-986/7
Übergänge zwischen dem Substrat aus dem Piezowiderstandsmaterial und den epitaxial gewachsenen Bereichen sichtbar wird. Durch diese sichtbaren Obergänge ist es möglich, die Maske sehr genau auszurichten.
Mit einer weiteren Ätzung zwischen den epitaxial aufgefüllten Ausnehmungen, die weniger tief als die erste Ätzung geht, wird ein wesentlich kleinerer Querschnittsbereich als Verbindung zwischen den beiden epitaxial aufgefüllten Ausnehmungen geschaffen. Dieser Querschnittsbereich verbindet vorzugsweise als balkenförmiger Abschnitt die beiden epitaxial aufgewachsenen Bereiche.
Schliesslich wird durch eine dritte, tiefer als die erste Atzung gehende Ätzung, die Begrenzungslinie des Spannungsmessers bzw. des Messele^entes festgelegt. Anschliessend werden die elektrischen Kontakte vorgesehen und das Substrat von der Rückseite durch Läppen und Polieren so weit abgetragen, dass die Spannungsmesser bzw. Messelemente nur noch die gewünschte Gesamtdicke aufweisen.
ι *
Eine bevorzugte Aus führung sfojrm der Erfindung ist in ihrer Formgebung, die auch' im Ausführungsbeispiel beschrieben ist, besonders vorteilhaft zum Messen des Blutdruckes innerhalb der Blutbahn von Tieren geeignet, wobei zu beachten ist, dass isothermische Verhältnisse existieren. Daher werden Überlegungen und Massnahmen, die mit Temperaturänderungen zusammenhängen, minimalisiert. Der Blutdruck übt auf den Spannungsmesser eine Kraft aus, wobei dieser Verbiegungen im Bereich des balkenförmigen Abschnittes erfährt und
- 6 - j Aufgrund
i /to.
7317242, i3>9t7S
M069P/Ü-986/7
aufgrund der damit zusammenhängenden Widerstandsänderung eine Änderung des Übertragenen Stromes mit sich bringt.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination die Erfindung kennzeichnenden Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Spannungsmessers aus einem Halbleiter-Piezowiderstand;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Spannungsmesser gemäss Fig. 1;
Fig. 3 eine Seitenansicht des Spannungsmessers gemäss Fig. 1;
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 2;
Fig. 5a - 5h Schnitte durch eine Halbleiteranordnung während einer Folge von Verfahrensschritten bei der Herstellung eines Spannungsmessers aus einem Halbleiter-Piezowiderstand.
Der in Fig. 1 dargestellte Spannungsmesser 10 besteht aus einem balkenförmigen Abschnitt 11 mit vergrösserten Endabschnitten 12. Innerhalb dieser vergrösserten Endabschnitte 12 sind Anschlussbereiche 3 3 vorgesehen, an welchen elektrische Kontakte 14 angebracht sind.
Der Spannungsmesser 10 ist in Fig. 2 als Draufsicht dargestellt und hat vorzugsweise eine Gesamtabmessung über den balkenförmigen Abschnitt 11 und die Endabschnitte 12 von
etwa
731172424***
13.9·""
etwa 1,9 mm und eine Querabmessung von etwa 0,6 mm.
In Fig. 3 ist der Spannungsmesser 10 in Seitenansicht dargestellt, welche den balkenförmigen Abschnitt 11 erkennen lässt, der etwa 0,2S mm lang ist. Die Dicke des gesamten Elementes, ohne die elektrischen Kontakte 14, beträgt etwa 7,6 . 10 mm. i
In Fig. 4 ist ein Schnitt durch die Mitte des Spannungsmessers längs der Linie 4-4 der Fig. 2 dargestellt, wobei die Breite des balkenförmigen Abschnittes 11 in diesem Schrittbereich etwa 0,12 mm beträgt.
Ein typischer Anwendungsfall für ein solches Messelement ist die Blutdruckmessung innerhalb des Gefässystems von lebenden Tieren. Die angegebenen Abmessungen lassen auch erkennen, dass die Grosse des Messelementes ideal für eine solche Anwendung ist. Bereits allein aufgrund dieses Anwendungsfalles ergibt sich die Notwendigkeit, derartige Messelemente in Massenproduktion mit niedrigen Kosten herzustellen, wobei eine gleichbleibende Qualitätsausbeute erreicht werden soll.
Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren für ein solches Messelement beschrieben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird von einem Substrat ausgegangen, das aus einem N-leitenden Silicium mit Piezowiderstandseigenschaften besteht. Dieses Substrat 20 wird durch Läppen und Polieren auf eine geeignete Abmessung gebracht. Auf der Oberfläche des Substrats 20 wird eine Siliciumnitridschicht 22 (Si3N.) angebracht. Das Substrat 20 ist entsprechend dotiert, um eine gewünschte Störstellenkonzentration zu erhalten, damit sich ein Messfaktor von etwa -133 gemüss Tabelle I ergibt. Die Verwendung der Siliciumnitridschicht als Schutzschicht lässt die Durchführung von Ätzschritten ohne Rücksicht auf
die
die geschützte Oberfläche 15 zu, da die Schutzschicht 22 gegenüber dem Ätzmittel widerstandsfähig ist.
In Fig. 5b ist das Substrat 20 in einer um 180° gegenüber der Lage in der Abbildung geir.äss Fig. 5a gedrehten Position dargestellt. Auf der Oberfläche 16 des Substrats wird eine Siliciumdioxydschicht 21 (SiO-) thermisch aufgewachsen. Die Herstellung dieser Schicht 21 kann in jeder beliebigen bekannten Weise erfolgen.
Die Darstellung in Fig. 5c zeigt den Halbleiteraufbau, nachdem durch Öffnungen 23 in der Siliciumdioxydschicht in das Substrat Ausnehmungen geätzt wurden. Dieser Ätzvorgang wird vorzugsweise mit Kalium-Hydroxyd CKOH) ausgeführt. Dazu wird ein Fotoresist auf der Schicht 21 angebracht und in bekannter Weise durch Belichtung bereichsweise gehärtet. Mit einem Siliciumdioxyd-Ätzmittel wird durch die Siliciumdioxydschicht hindurchgeätzt und ansehliüssend der stehengebliebene Fotoresist entfernt, um die Halbleiterscheibe für die Kalium-Hydroxydätzung zu reinigen. Bei der beschriebenen Ausführungsform wird das Silicium bis zu einer Tiefe von etwa 80,um geätzt.
In Fig. 5d ist der Halbleiteraufbau nach dem epitaxialen Aufwachsen der Anschlussbereiche 13 dargestellt. Dieses epitaxiale Aufwachsen der Anschlussbereiche 13 erfolgt aus den geätzten Vertiefungen 23 heraus. Dabei wird ein Dotierungsmittel mit verhältnismässig hoher Konzentration eingeführt, sodass die Anschlussbereiche 13 N -leitend werden und damit einen sehr niedrigen Widerstand annehmen.
In Fig. 5e ist ein weiterer Schritt während der Herstellung des Spannungsmessers 10 dargestellt. Bei diesem Fertigungszustand sind die epitaxial aufgewachsenen Anschlussbereiche 13 bis auf die Oberfläche 16 des Substrats 20 abgeläppt und poliert. Durch eine weitere Ätzung wird eine sichtbare·
- 9 - Markierung
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• · ·
• · · 		MO69P/G-986/7 Af
Markierung an der Grenzschicht zwischen den Anschlussbereichen 13 und dem Substrat 20 dafür gesorgt, dass eine weitere Maske auf dem Substrat 20 für nachfolgende Herstellungsschritte angebracht werden kann. Anschliessend wird thermisch eine Siliciumdioxydschicht 26 aufgebracht.
Nach einer Atzung mit Kalium-Hydroxyd ergeben sich Kanalbereiche 27 gemäss Fig. 5f, wobei diese geätzten Kanalbereiche eine Tiefe von etwa 45 ,um annehmen können.
In Fig. Sg ist der Stand des Herstellungsverfahrens dargestellt, nachdem die verbleibende Siliciumdioxydschicht
26 abgezogen und eine neue Siliciumdioxydschicht 28 auf der Oberfläche 16 und innerhalb des geätzten Kanalbereiches
27 angebracht ist.
Mit Hilfe einer dritten Ätzung mit Kaliuni-Hydroxyd wird das Messelement gemäss Fig. 5h fertiggestellt. Dabei werden um den balkenförmigen Abschnitt 11 und dessen vergrösserte Endabschnitte 12 herum bis zu einer Tiefe von etwa 70,um für das beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel weggeätzt, sodass ein Kanalbereich 29 gemäss Fig. 5h entsteht. !
In Fig. 5i ist ein fertiggestellter Spannungsmesser 10 dargestellt, an dessen Anschlussbereiche elektrische Kontakte 14 angebracht sind.' Diese Kontakte 14 werden in herkömmlicher Weise ausgebildet. Dabei kann in einem ausgewählten Bereich die Siliciumdioxydschicht 28 entfernt und anschliessend Aluminium aufgedampft werden. Das Aluminium wird mit Ausnahme des gewünschten elektrischen Kontaktbereiches wieder entfernt. Anschliessend wird Chrom, Kupfer und Gold durch eine entsprechende Maske auf das Aluminium aufgedampft. .Schliesslich wird
- 10 -
eine
H !
'·".'''.: MO69-VG-936/7
eine Mischung aus Zinn und Blei aufgebracht, um einen l$tbaTen elektrischen Anschluss zu schaffen.
Nach dem Anbringen der elektrischen Kontakte 14 wird das Substrat 2C, das sins Vielzahl is wesentlichen fertiggestellter Messelemente umfasst, auf der Oberfläche mit einem Adhäsionswachs versehen,und mit diesem auf einer Läppplatte befestigt. In herkömmlicher Weise wird dann durch Läppen und Polieren die Siliciumnitridschicht 22 und das darunterliegend» Material des Substrats bis zu den Bereichen der dritten Atzung abgetragen, wodurch die einzelnen Messelemente voneinander separiert werden und einzeln von der Läppplatte abnehmbar sind.
Bin solches fertiggestelltes Messelement kann nunmehr in einem Katheter untergebracht werden, der dieses vor des Blut und den Körperflüssigkeiten schützt, jedoch den Blutdruck auf das Messelement überträgt. Der in Abhängigkeit von dem einwirkei λ? Druck sich ändernde Strom aufgrund des Piezowiderstandseffektes ist ein Mass für den gemessenen Blutdruck.
Es ist offensichtlich, dass das Messelement gemäss der Erfindung auch für viele andere Anwendungsfälle Verwendung finden kann, wenn z.B. Gasdrucke,.mechanische Schwingungen oder dgl. gemessen werden sollen. Dabei können sich die Abmessungen des Messelementes gegenüber den; . in der Beschreibung angegebenen Werten erheblich ändern. -
- 11 -
Schutzansprüche

Claims (1)

  1. Schutz insprü ehe
    Spannungsmesser aus einem Halbleiter-Piezowiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsmesser aus einem balkenförmigen Abschnitt (11) mit daran anschiiessenden vergrösserten Endabschnitten (12) eines monokristallinen Halbleiters mit Piezowiderstandseigenschaften besteht, wobei dieser monokristalline Halbleiter eine gegebene Leitfähigkeit hat und längs einer gegebenen Kristallebene zur Erzielung eines gewünschten Messfaktors geschnitten ist, dass innerhalb der vergrösserten Endabschnitte monokristalline Anschlussbereiche (13) vorgesehen sind, die eine gegebene Leitfähigkeit und eine höhere Störstellenkonzentration und damit einen niedrigen elektrischen Widerstand unter Vermeidung eines gleichrichtenden Obergangs zwischen dem balkenförmigen Abschnitt und den Anschlussbereichen aufweisen, und dass auf der Oberfläche der monokristallinen Anschlussbereiche elektrische Kontakte (14) angebracht sind.
    2. Spannungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die monokristallinen Anschlussbereiche (13) epitaxial aufgewachsen sind.
    3. Spannungsmesser nach Anspruch l,oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass als Halbleitermaterial N-leitendes Silicium Verwendung findet, und dass die kristallographische Schnittebene die 100-Ebene ist. /
    13.9·
    MC69P/G-986/7
    Spannungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbleitermaterial N-leitendes Silicium Verwendung findet und die kristallographische Schnittebene die 110-Kristallebene ist.
    Spannungsmesser nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontakte derart ausgebildet sind, dass sie zur Herstellung von Lötverbindungen geeignet sind./
    13.9.79
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